CN113870922A - 一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件及其制备方法，属于电子和光电子领域。所述复合型器件包括金属、二维硒化铟、二维硒化镓、栅极介质层。本发明器件采用但不限于机械剥离的方法获得二维纳米片，器件自下而上分别为栅极介质层、二维硒化镓和二维硒化铟层，金属电极与二维硒化铟层接触，金属电极采用但不限于热蒸镀的方法制备。本发明通过调节异质结界面处的能带排列及电荷转移的方式，构筑同时兼备电存储、光存储的GaSe/InSe多功能器件，具有永久光电流和负光电导存储特性，简化了器件结构，实现功能器件的集成。
Description
技术领域
本发明属于电子和光电子领域，具体涉及一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件及其制备方法。
背景技术
二维材料由于独特的结构特性表现出新颖的物理化学性质，被广泛应用于电子和光电子领域。此外，由于二维材料表面无悬键，可将不同的二维材料堆垛构成范德华异质结构，利用界面处的电荷转移及能带排列进一步扩宽二维纳米材料的功能性。
迄今为止，在电存储领域，人们通过在异质结中插层h-BN、HfO2、石墨烯作为悬浮栅(Nature Nanotechnology 2021,16:882-887；ACS Nano 2018,12:9513-9520；AdvancedMaterials 2019,31:1807075)，一旦浮栅中充满电荷由于周围都是绝缘层，电荷离开浮栅的概率极低以此实现电荷存储，但其界面相对复杂、编程和擦除过程会磨损材料。在光存储领域，人们构筑MoS2/cPVP/AuNPs器件(Advanced Materials 2016,28:9196-9202)，利用金纳米颗粒作为电荷捕获层，但存在缺乏在纳米尺度的控制，零维-二维材料易分离，器件寿命差等问题；也有人构筑MoS2/SWCNTs器件(Small 2019,15:1804661)，利用碳纳米管的固有缺陷实现存储，但这种器件存在着不稳定的弊端。在负光导领域，人们引入h-BN作为悬浮栅构筑了MoS2/BN/ReS2器件(ACS Nano 2018,12:9513-9520)，但其同样存在着界面相对复杂、编程和擦除过程会磨损材料的问题；也有人利用缺陷构筑了MoS2xSe2(1-x)器件(NatureCommunications 2019,10:4133)，但同样存在着不稳定的弊端。此外，它们都无法同时兼备电存储、光存储、负光导功能，这极大程度地限制了它们的应用。
发明内容
本发明针对现有存储器件性能不稳定、无法同时兼备电存储、光存储等问题，提供一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件及其制备方法。该复合型存储器件通过调节异质结界面处的能带排列及电荷转移的方式实现了光存储、电存储在同一器件上的功能集成，提出了一种新型复合型功能器件。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，如图1和2所示，所述复合型器件包括两个金属电极、二维硒化铟、二维硒化镓、栅极介质层；器件自下而上分别为栅极介质层、二维硒化镓层和二维硒化铟层，二维硒化铟层上有两金属电极与之接触，金属电极之间具有沟道，沟道宽度为5～30μm。
进一步地，所述栅极介质层的材料为SiO2、HfO2、Al2O3、蓝宝石中的任意一种，优选为SiO2，栅极介质能够对表层材料施加垂直电场，并对材料载流子浓度进行调控。
进一步地，所述沟道的宽度为10-20μm，优选为15μm。
进一步地，所述金属电极为金、银、铂、钯、铬、钛中的至少一种，优选为金。
进一步地，所述二维硒化镓层的厚度为10～30nm，优选为20nm；所述二维硒化铟层的厚度为10～20nm，优选为16nm。
进一步地，所述金属通过真空蒸镀或磁控溅射镀膜制备，通过直接沉积或干法转移的方式与二维材料相接触，优选的，所述金属采用真空蒸镀直接沉积于二维材料表面；二维材料通过机械剥离相应材料单晶块体材料、气相沉积法或分子束外延方法制备；优选的，所述二维材料通过机械剥离单晶块体材料获得。
一种上述的基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将获得的二维硒化镓和二维硒化铟纳米片分别负载于载体上，通过光学显微镜选择厚度合适的纳米片；
步骤2、通过转移方法将负载于载体上的二维硒化镓纳米片转移至带有300nm氧化层的硅基底(SiO2/Si)上，再将二维硒化铟纳米片转移至二维硒化镓层上，得到GaSe/InSe异质结；
步骤3、将步骤2中GaSe/InSe异质结沟道区域用掩膜遮盖，采用真空蒸镀技术制备金属电极(即源漏电极)。
进一步地，步骤1中，对于机械剥离方法得到的二维材料，通过粘贴方式负载于聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面；对于气相沉积或外延生长得到的二维材料，通过旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后刻蚀掉生长基底，使二维材料负载到PMMA表面。载体优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步地，步骤2中，所述转移方法为干法转移或湿法转移方法，优选为干法转移。
进一步地，步骤3中，所述掩膜为硬掩模或光刻胶掩膜，优选为硬掩模。
本发明与现有二维存储器件相比具有的显著效果，具体如下：
(1)本发明通过调控界面处的能带排列及电荷转移所构筑的GaSe/InSe异质结器件具有优异的电存储性质，Vbg-max＝60V时，回滞窗口的宽度可达(ΔV)72.53V，可存储电荷量(ΔQ)为5.21×1012cm-2，当达到2000s时开关比为103，此外，该器件的结构简单，可调控能力强，优异于其他二维电存储器件。
(2)本发明通过调控界面处的能带排列及电荷转移所构筑的GaSe/InSe异质结器件具有优异的光存储性质，开关比为104，2000s后电流仅下降6.89nA，施加不同的脉冲偏压、调控光功率密度、光循环次数均可有效地调控光存储状态，优异于其他二维光存储器件。
(3)本发明通过调控界面处的能带排列及电荷转移所构筑的GaSe/InSe异质结器件具有优异的负光导性质，性能稳定，开/关比104，优异于其他二维负光导器件。
(4)本发明通过调控界面处的能带排列及电荷转移所构筑的GaSe/InSe异质结器件是集电存储、光存储、负光导于一体的多功能性器件，具有永久光电流和负光电导存储特性，简化了器件结构，实现功能器件的集成，大大扩宽该器件的应用领域，并为今后存储器件的应用奠定基础。
附图说明
图1为实施例1中的GaSe/InSe的异质结制备的器件结构示意图；
图2为实施例1的GaSe/InSe器件的光学照片；
图3为图2对应的GaSe/InSe器件不同Vbg-max下的转移曲线图；
图4为图2对应的GaSe/InSe器件存储持久性曲线图；
图5为图2对应的GaSe/InSe器件常温下532nm的光源激发，在高阻态时的光存储性能图；
图6为图2对应的GaSe/InSe器件100K下532nm光源激发下，在低阻态时的光存储性能图；
图7为实施例2中的GaSe/BN/InSe器件的转移曲线图；
图8为图7对应的GaSe/BN//InSe器件存储持久性曲线图；
图9为图7对应的GaSe/BN//InSe器件常温下532nm的光源激发，在高阻态时的光存储性能图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明通过调节异质结界面处的能带排列及电荷转移的方式构筑的GaSe/InSe异质结器件具有结构简单、不存在磨损材料的现象、可调控能力较强、开/关比高、性能稳定的优势，可有效地弥补现有器件所存在的弊端，并可实现集电存储、光存储、负光导于一体的多功能性器件。
实施例1：
一种同时具有电存储、光存储及负光导的GaSe/InSe异质结器件按以下步骤进行：
一、通过机械剥离方法制备GaSe层，所述机械剥离方法具体过程为：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜粘附到载玻片上的指定一端。用胶带从块体GaSe上粘取一部分样品，将胶带反复对折，使样品厚度逐渐变薄，再将粘满目标材料的胶带轻轻按压在已粘附于载玻片PDMS薄膜的表面。按压一定时间，轻轻将胶带揭下去，将其放置光学显微镜位移台上面，通过调节位移台的位置找到厚度为10nm～30nm，长为70μm～80μm，宽为40μm～50μm的GaSe纳米片，通过干法转移将GaSe转移至清洗干净的SiO2/Si衬底上的SiO2一侧，备用；
二、通过机械剥离方法制备InSe纳米片层，所述机械剥离方法具体过程为：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜粘附到载玻片上的指定一端。用胶带从块体InSe上粘取一部分样品，将胶带反复对折，使样品厚度逐渐变薄，再将粘满目标材料的胶带轻轻按压在已粘附于载玻片PDMS薄膜的表面。按压一定时间，轻轻将胶带揭下去，将其放置光学显微镜位移台上面，通过调节位移台的位置找到厚度为10nm～20nm，长为60μm～70μm，宽为20μm～30μm的InSe纳米片，通过干法转移将InSe转移至步骤一后的GaSe层上，得到GaSe/InSe异质结。
三、已经制备好的GaSe/InSe异质结用混目的铜网遮盖(沟道尺寸为15μm，电极尺寸为200μm×200μm)，并分别留出两端的位置，构造出裸露的窗口，先在铜网的一端用耐热胶粘到二氧化硅基底片上，若铜网的位置发生轻微位移，则用镊子或棉签轻微移动耐热胶使其归位，之后在铜网的另一端用耐热胶固定。利用蒸镀技术热沉积Cr/Au电极作为源漏电极，其中Cr大约5nm，金大约30nm，蒸镀之后去掉铜网即完成GaSe/InSe异质结器件的制备。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是：为验证GaSe与InSe之间的电荷转移效果，在GaSe/InSe异质结中插层BN，以阻碍GaSe和InSe之间的电荷转移，按以下步骤进行：
一、通过机械剥离方法制备GaSe层，所述机械剥离方法具体过程为：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜粘附到载玻片上的指定一端。用3M思高胶带从块体GaSe上粘取一部分样品，将胶带反复对折，使样品厚度逐渐变薄，再将粘满目标材料的胶带轻轻按压在已粘附于载玻片PDMS薄膜的表面。按压一定时间，轻轻将胶带揭下去，将其放置光学显微镜位移台上面，通过调节位移台的位置找到厚度为20nm～30nm，长为70μm～80μm，宽为40μm～50μm的GaSe纳米片，通过干法转移将GaSe转移至清洗干净的SiO2/Si衬底上的SiO2一侧，备用；
二、通过机械剥离方法制备BN纳米片层，所述机械剥离方法具体过程为：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜粘附到载玻片上的指定一端。用3M思高胶带从块体BN上粘取一部分样品，将胶带反复对折，使样品厚度逐渐变薄，再将粘满目标材料的胶带轻轻按压在已粘附于载玻片PDMS薄膜的表面。按压一定时间，轻轻将胶带揭下去，将其放置光学显微镜位移台上面，通过调节位移台的位置找到厚度为10nm左右，长为70μm～80μm，宽为50μm～60μm的BN纳米片，通过干法转移将BN转移至步骤一后的GaSe层上，得到GaSe/BN异质结，备用；
三、通过机械剥离方法制备InSe纳米片层，所述机械剥离方法具体过程为：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜粘附到载玻片上的指定一端。用3M思高胶带从块体InSe上粘取一部分样品，将胶带反复对折，使样品厚度逐渐变薄，再将粘满目标材料的胶带轻轻按压在已粘附于载玻片PDMS薄膜的表面。按压一定时间，轻轻将胶带揭下去，将其放置光学显微镜位移台上面，通过调节位移台的位置找到厚度为20nm～30nm，长为60μm～70μm，宽为20μm～30μm的InSe纳米片，通过干法转移将InSe转移至步骤二后的GaSe/BN异质结上，得到GaSe/BN/InSe异质结。
四、已经制备好GaSe/BN/InSe异质结用混目的铜网遮盖(沟道尺寸为15μm，电极尺寸为200μm×200μm)，并分别留出两端的位置，构造出裸露的窗口，先在铜网的一端用耐热胶粘到二氧化硅基底片上，若铜网的位置发生轻微位移，则用镊子或棉签轻微移动耐热胶使其归位，之后在铜网的另一端用耐热胶固定。利用蒸镀技术热沉积Cr/Au电极作为源漏电极，其中Cr大约5nm，金大约30nm，蒸镀之后去掉铜网即完成GaSe/BN/InSe相关异质结器件的制备。
为了验证本实施例的效果，将上述实施例得到的GaSe/InSe异质结及GaSe/BN/InSe异质结制备成器件，具体过程如下：
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：对GaSe/InSe异质结器件的电存储性质进行检测，得到如图3、图4的关系图，从图中可以看出，当Vbg-max＝60V时，回滞窗口的宽度可达(ΔV)72.53V，可存储电荷量(ΔQ)为5.21×1012cm-2，当达到2000s时开关比为103，说明GaSe/InSe异质结器件具有优异的电存储性质。
试验二：对GaSe/BN/InSe异质结器件的电存储性质进行检测，得到如图5、图6的关系图，从图中可以看出，在Vbg-max＝50V时，回滞窗口的宽度(ΔV)为14.12V，可存储电荷量为1.01×1012cm-2，当达到500s时开关比仅为10，远远小于GaSe/InSe异质结器件，说明GaSe/InSe异质结器件优异的电存储性质和界面处的能带排列及电荷转移有关。
试验三：对GaSe/InSe异质结器件的光存储性质进行检测，得到如图7的关系图，从图中可以看出，GaSe/InSe异质结器件在高阻态532nm光源的激发下具有永久光电流现象，开关比为104，2000s后电流仅下降6.89nA，说明GaSe/InSe异质结器件优异的光存储性质。
试验四：对GaSe/BN/InSe异质结器件的光存储性质进行检测，得到如图8的关系图，从图中可以看出，GaSe/BN/InSe异质结器件同样具有永久光电流现象，500s后电流仅下降0.30nA，开关比不足10，远远低于GaSe/InSe异质结器件，说明GaSe/BN/InSe异质结器件优异的光存储性质和界面处的能带排列及电荷转移有关。
试验五：在100K下，对GaSe/InSe异质结器件的光存储性质进行检测，得到如图9的关系图，从图中可以看出发现第一次加光脉冲之后，电流猛然下降，具有非常明显的负向光电导现象，开/关比为104。
Claims (10)
1.一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述复合型器件包括两个金属电极、二维硒化铟、二维硒化镓、栅极介质层；器件自下而上分别为栅极介质层、二维硒化镓层和二维硒化铟层，二维硒化铟层上有两金属电极与之接触，金属电极之间具有沟道，沟道宽度为5～30μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述栅极介质层的材料为SiO2、HfO2、Al2O3、蓝宝石中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述沟道的宽度为10-20μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述金属电极为金、银、铂、钯、铬、钛中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述二维硒化镓层的厚度为10～30nm，所述二维硒化铟层的厚度为10～20nm。
6.根据权利要求2～5任一项所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件，其特征在于：所述金属通过真空蒸镀或磁控溅射镀膜制备，通过直接沉积或干法转移的方式与二维材料相接触，二维材料通过机械剥离相应材料单晶块体材料、气相沉积法或分子束外延方法制备。
7.一种权利要求1～6任意一项所述的基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1、将获得的二维硒化镓和二维硒化铟纳米片分别负载于载体上，通过光学显微镜选择厚度合适的纳米片；
步骤2、通过转移方法将负载于载体上的二维硒化镓纳米片转移至带有300nm氧化层的硅基底上，再将二维硒化铟纳米片转移至二维硒化镓层上，得到GaSe/InSe异质结；
步骤3、将步骤2中GaSe/InSe异质结沟道区域用掩膜遮盖，采用真空蒸镀技术制备金属电极。
8.根据权利要求7所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件的制备方法，其特征在于：步骤1中，对于机械剥离方法得到的二维材料，通过粘贴方式负载于聚二甲基硅氧烷表面；对于气相沉积或外延生长得到的二维材料，通过旋涂聚甲基丙烯酸甲酯薄膜后刻蚀掉生长基底，使二维材料负载到PMMA表面。
9.根据权利要求7所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述转移方法为干法转移或湿法转移方法。
10.根据权利要求7所述的一种基于GaSe/InSe异质结的光存储、电存储复合型器件的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述掩膜为硬掩模或光刻胶掩膜。
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